Автор работы: Пользователь скрыл имя, 19 Декабря 2012 в 20:20, контрольная работа
В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.
Все большее распространение получают акустические расходомеры. Принцип действия таких расходометров основан на зависимости акустического эффекта в потоке вещества от его скорости. Широкому распространению акустических расходомеров способствует возможность их применения для измерения расходов загрязненных и агрессивных сред, безинерционность, бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах и др.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ
БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ИНСТИТУТ ПРАВА, ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ
КАФЕДРА Управление качеством
Контрольная работа по дисциплине
«Методы и средства измерений испытаний и контроля»
ТЕМА Методы измерения расхода газа
специальности Управление
качеством
группа 2508
Тюмень 2012
СОДЕРЖАНИЕ
В сферах народного хозяйства, связанных с использованием и транспортировкой газов и жидкостей (газовой, нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и т. д.) широко используются термоанемометрические преобразователи расхода. Термоанемометры обладают малой инерционностью, высокой чувствительностью, точностью, надежностью, компактностью.
В настоящее время известно свыше 20 методов измерения расхода и большое число их разновидностей. Расходомеры, наиболее широко распространенные в промышленности, по принципу действия разделяются на следующие основные группы: переменного перепада давления; обтекания – постоянного перепада давления; тахометрические; электромагнитные; переменного уровня; тепловые; вихревые; акустические. Кроме того, известны расходомеры, основанные на других принципах действия: резонансные, оптические, ионизационные, меточные и др. Однако многие из них находятся в стадии разработки и широкого применения пока не получили. Наибольшее распространение получили расходометры переменного и постоянного перепада давления. К расходометрам переменного перепада давления относятся дифманометры, при использовании которых перепад давления в трубопроводе создаётся сужающими устройствами (диафрагмами, соплами, трубой Вентури и т.п.).
В расходометрах постоянного перепада давления изменяется площадь проходного сечения, а перепад до и после него остаётся неизменным. Такого типа расходометры выполняются с погруженным поплавком или поршнем.
Недостатком этих способов
является необходимость в
В некоторых случаях, когда невозможно применять расходометр, скорость потока измеряют с помощью напорных трубок, гидравлических вертушек и анемометров и вычисляют скорость потока в каком-либо его сечении. Объёмный расход определяют, умножая скорость на площадь сечения.
Во всех отраслях промышленности широко применяются тахометрические расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимостей скорости движения тел – чувствительных элементов, помещаемых в поток, от расхода веществ, протекающих через эти расходомеры. Из этой группы расходомеров наиболее часто на практике применяются турбинные, шариковые и камерные.
Для измерения скорости и (или) расхода проводящего вещества могут применятся электромагнитные расходомеры. В основу работы электромагнитных расходомеров положена зависимость ЭДС, индуцируемой в электропроводящей среде, движущейся в электромагнитном поле. Конструктивно преобразователь электромагнитного расходомера представляет собой участок трубопровода, выполненного из немагнитного материала, в который вмонтированы два электрода. В месте расположения электродов вне трубопровода размещаются магнитная система или полюса магнита . Основным недостатком этих приборов является невозможность измерения расхода непроводящих сред.
Если необходимо измерять расход загрязненных жидкостей, известкового молока, диффузионного сока, сусла-самотека и т. п., то обычно применяются расходомеры переменного уровня. Принцип действия приборов основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке сосуда.
В настоящее время разработаны и имеют весьма широкие перспективы применения вихревые расходомеры, принцип действия которых основан на зависимости от расхода частоты колебаний давления среды, возникающих в потоке в процессе вихреобразования.
Все большее распространение
Весьма перспективны тепловые расходомеры. Принцип их действия основан на использовании зависимости эффекта теплового воздействия на поток вещества от массового расхода этого вещества. Различают калориметрические, расходомеры теплового слоя и термоанемометрические расходомеры. Калориметрические расходомеры основаны на нагреве или охлаждении потока посторонним источником энергии, создающим в потоке разность температур. Расходомеры теплового слоя, основанные на создании разности температур с двух сторон пограничного слоя. Термоанемометры принято различать по ряду признаков, характеризующих тепловой режим преобразователя: способу нагрева чувствительного элемента (прямой, косвенный, непрерывный, импульсный); роду тока, питающего мост (постоянный, переменный); особенностям электрической схемы и др.
Термоанемометрический метод основан
на зависимости теплоотдачи
Термоанемометрический метод обладает рядом достоинств: высокая чувствительность обеспечивает возможность измерения в широком диапазоне скоростей потоков; миниатюрные размеры чувствительного элемента обеспечивают возможность измерения быстро изменяющихся локальных скоростей; независимость показаний от плотности газа (измеряется массовая скорость); наличие электрического выходного сигнала с уровнем, не требующем дополнительного усиления; измерительные схемы ПИП предельно просты; дистанционное измерение осуществляется сравнительно просто.
К числу недостатков метода относятся: необходимость индивидуальной градуировки каждого ПИП, обусловленная невозможностью изготовления идентичных преобразователей по электрическим и конструктивным параметрам; нестабильность градуировочной характеристики, обусловленная структурными изменениями материала чувствительного элемента, вызываемыми нагревом, динамическими нагрузками, загрязнением; существенная температурная зависимость показаний термоанемометра, обуславливающая необходимость выполнения градуировки при различных температурах газа.
Режимы работы ТА. В зависимости от теплового режима ЧЭ различают термоанемометры постоянного тока и постоянной температуры. Значительно лучшими динамическими и статическими характеристиками обладают термоанемометры постоянной температуры. Они выполняются по замкнутой измерительной схеме (рис.1) и работают по компенсационному принципу. Разогретый терморезистор Rw составляет с постоянными резисторами R1-R3 мостовую схему. Согласно закону Джоуля-Ленца тепловая мощность Ф1, выделяемая чувствительным элементом в единицу времени, определяется выражением
где I – ток через нить термоанемометра.
В установившемся режиме работы термоанемометра преобразуемая в тепло мощность Ф1 будет равна рассеиваемой в потоке мощности Ф2 :
При этом за счет поддержания определенной величины тока I0 мостовая схема находится в состоянии, близком к балансному, а сигнал рассогласования ? на измерительной диагонали оказывается весьма малым. Изменение массовой скорости ?? потока вызывает изменение теплоотдачи Ф1, а также температуры Tw, сопротивления Rw и сигнала рассогласования ?. Изменение ? через усилитель управляет величиной выделяемой на нити электрической мощности Ф2 путем изменения тока I0 питания моста. Ток I1, проходящий по нити, изменяется до тех пор, пока не наступит баланс мощностей Ф2 и Ф1 а величины сопротивления Rw и температуры Tw нити окажутся достаточно близкими к прежним значениям, при которых сигнал ? станет весьма незначительным.
Рисунок 1- Схема компенсационного принципа.
Таким образом, температура нити Tw будет поддерживаться в известной степени постоянной. Выходным параметром схемы является общий ток I0 или напряжение питания моста Е, однозначно связанные с током I1. Типовой вид семейства градуировочных кривых термоанемометра при разных температурах газа Тg приведен на рис.2. Отметим, что с изменением температуры потока происходит вертикальное смещение градуировочной характеристики, поэтому при измерениях в неизотермических потоках необходимо осуществлять температурную компенсацию показаний ТА.
Рисунок 2 - Семейство градуировочных кривых термоанемометра
Типы чувствительных элементов ТА. Схемы, характеристики и области применения ТА различного типа в значительной степени определяются свойствами чувствительных элементов, реагирующих непосредственно на изменение газодинамических параметров. Применяют проволочные, пленочные и полупроводниковые ЧЭ. На рис.3 приведены конструкции проволочных преобразователей, предназначенных для измерения одной или двух компонент скорости плоского потока и его температуры. Проволочные ЧЭ весьма ненадежны из-за хрупкости проволоки, диаметр которой составляет единицы микрометров. Область их применения ограничена, главным образом, экспериментальными исследованиями динамических характеристик газовых потоков.
Рисунок 3 - Конструкции проволочных преобразователей
Гораздо более надежны пленочные преобразователи. Они состоят из тонкой пленки, выполненной из платины или никеля, нанесенной на подложку из стекла или кварца. Токоподводами являются либо платиновые электроды, помещенные внутрь подложки, либо серебряные напыленные проводники, расположенные по образующей подложки. На рис.4 приведены наиболее распространенные типы пленочных преобразователей, применяющихся при измерениях характеристик турбулентности.
Рисунок 4 - Типы пленочных преобразователей
Существенным недостатком проволочных и пленочных ЧЭ является сильная временная нестабильность градуировочной характеристики, обусловленная непосредственным контактом с газовым потоком и загрязнением, что требует постоянной тщательной их градуировки.
Рассмотрим общий вид градуировочной зависимости ТА, устанавливающей связь выходного сигнала от скорости потока. Из трех видов теплообмена (теплопроводность, конвекция, тепловое излучение) основную роль в теплообмене чувствительного элемента с потоком газа играют конвекция и теплопроводность арматуры крепления. Очевидно, что конвективная теплопередача является полезной, в то время как теплопроводность арматуры крепления – сопутствующей, ухудшающей метрологические характеристики первичного преобразователя. Конвективный теплообмен зависит от природы возникновения и режима потока, рода и физических свойств рабочей среды, формы и размера тела. Интенсивность конвективного теплообмена характеризуется коэффициентом теплоотдачи ?, который определяется по формуле Ньютона-Рихмана
Согласно этому закону тепловой поток W пропорционален поверхности теплообмена S и разности температур поверхности и газа (Tf – Tg). Коэффициент теплоотдачи определяется как количество теплоты, отдаваемое в единицу времени единицей поверхности при разности температур между поверхностью и жидкостью, равной одному градусу:
Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения газа. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйный характер. При турбулентном – движение неупорядоченное, вихревое. Изменение режима движения происходит при некоторой «критической» скорости, которая в каждом конкретном случае различна.
Теоретическая постановка задачи теплопроводности с вынужденной конвекцией даже при определенных ограничениях приводит к решению сложной системы совместных уравнений в частных производных относительно температуры и скорости при соответствующих граничных условиях.